Systèmes de matériaux: classification, phases et exemples

Les systèmes matériels sont tous ceux qui sont composés de matière et qui sont isolés du reste de l'univers à étudier. La matière est omniprésente, elle donne forme et sens réel aux perceptions de la vie quotidienne, mais lorsque vous souhaitez étudier une partie de la matière, vous méprisez son environnement et parlez d’un système matériel.

Ils sont très variables, car il existe des matériaux purs et composés, ainsi que différents états et phases d'agrégation. Comment définir la frontière entre le système matériel et ses environs? Tout dépend des variables considérées. Par exemple, dans l'image du bas, chaque marbre de bonbon pourrait être le système à l'étude.

Cependant, si l'on veut prendre en compte la couleur variable, il est nécessaire de considérer toutes les billes de la machine distributrice. Parce que la machine n’a pas d’intérêt, c’est l’environnement des billes. Ainsi, le système matériel de l'exemple devient la masse des billes et leurs propriétés (chewing-gum, menthe, etc.).

Cependant, chimiquement, les systèmes de matériaux sont définis comme toute substance pure ou leur mélange, classés selon leurs aspects physiques.

Classification

Système de matériau homogène

Le matériau étudié peut présenter un aspect uniforme dans lequel ses propriétés restent constantes quel que soit l'échantillon analysé. En d’autres termes: ce type de système est caractérisé par le fait qu’il n’y a qu’une phase de la matière à première vue.

Substance et composés purs

Si une substance pure est analysée, on constatera que les propriétés physicochimiques coïncident dans les mêmes valeurs et résultats, même si de nombreux échantillons sont prélevés (et dans des zones géographiques différentes).

Par exemple, si un échantillon de calcium était comparé à un échantillon provenant d’Asie, d’Europe, d’Afrique et d’Amérique, ils auraient tous les mêmes propriétés. La même chose se produirait si un échantillon de charbon pur était prélevé.

D'autre part, un composé pur manifeste également ce qui est mentionné ci-dessus. S'il était garanti qu'un tableau soit constitué d'un seul matériau, il serait alors classé comme un système de matériau homogène.

Toutefois, cela ne se produit pas pour un échantillon de minéraux, car il contient généralement des impuretés provenant d'autres minéraux associés et, dans ce cas, il s'agit d'un système matériel hétérogène. De plus, les systèmes matériels tels que les arbres, les pierres, les montagnes ou les rivières entrent dans cette dernière classification.

Dissolution

Le vinaigre commercial est une solution aqueuse d'acide acétique à 5%; c'est-à-dire que 5 mL d'acide acétique pur se dissolvent dans 100 mL d'eau. Cependant, son apparence est un liquide transparent, bien qu'en réalité ce soient deux composés purs (eau et acide acétique) combinés.

Système de matériau hétérogène

Contrairement à l'homogène, dans ce type de système, ni l'apparence ni les propriétés ne sont constantes, elles sont irrégulières tout au long de son extension.

En outre, il peut subir des techniques de séparation physique ou chimique, desquelles sont extraites des phases, chacune d'entre elles étant considérée comme un système homogène.

Les phases

Dans l'image ci-dessus, les états de la matière et ses changements sont montrés. Celles-ci sont étroitement liées aux phases de la matière car, bien que identiques, elles présentent des différences subtiles.

Ainsi, les phases d’un système matériel sont le solide, le liquide et le gaz. C'est-à-dire que pour un sujet donné analysé, cela peut adopter n'importe laquelle des phases précédentes.

Toutefois, les interactions dans les solides étant très fortes et dépendant de variables telles que la pression et la température, un système peut avoir ou non des phases solides différentes.

Par exemple, le composé X, solide à la température ambiante, a une phase I; mais lorsque la pression qui y est exercée est très forte, ses molécules se réorganisent de manière plus compacte, puis une transition se produit entre la phase I et la phase solide II.

Il existe même d'autres phases, telles que III et IV, qui sont dérivées de II à différentes températures. Ainsi, le système matériel homogène de X d’une phase solide apparente peut acquérir jusqu’à quatre phases solides: I, II, III et IV.

Dans le cas de systèmes liquides et gazeux, les molécules ne peuvent généralement adopter qu'une seule phase dans ces états de la matière. En d'autres termes, il peut ne pas y avoir de phase gazeuse I et une autre II.

Diagramme de phase

Il existe de nombreux diagrammes de phases: certains pour un seul composé ou substance (comme celui de l'image ci-dessus) et d'autres pour les systèmes binaires (un sel dans l'eau, par exemple) ou les systèmes ternaires (trois composants).

Le plus "simple" de tous est le diagramme de phase d'une substance. Ainsi, pour la substance hypothétique Y, sa phase est représentée en fonction de la pression (axe des ordonnées) et de la température (axe des abscisses).

À basse pression, il s'agit d'un gaz, quelle que soit sa température. Cependant, en augmentant la pression, un gaz Y est déposé dans le solide Y.

Cependant, à des températures supérieures au point critique, le gaz Y se condense dans le liquide Y et, si la pression est augmentée (augmente verticalement sur le diagramme), le liquide se solidifie.

Chaque ligne représente l’équilibre entre les deux phases qui se séparent: solide-gaz, liquide-gaz, solide-liquide, solide-liquide et solide-liquide-gaz au point triple.

De plus, à partir du point critique Y, aucune distinction physique n'est établie entre la phase gazeuse et la phase liquide: elle forme ce que l'on appelle un fluide supercritique.

Des exemples

- Un globe est un système matériel, car son contenu est gazeux et a donc une nature chimique; Si le gaz est moins dense que l'air, le ballon s'élèvera vers le ciel.

- Le système binaire eau-huile comporte deux phases: une pour l'eau et une autre, logiquement, pour l'huile. L'ensemble des deux constitue le système hétérogène, tandis que les couches individuelles sont des systèmes homogènes. Si vous souhaitez extraire l'huile, vous devrez effectuer une extraction liquide-liquide avec un solvant organique et volatil.

- Un système solide-solide peut être constitué d'un mélange de sucre blanc et de sucre brun. Ici, la différence de couleur entre les cristaux fait de ce cas un système hétérogène.

- L'eau de mer est un autre exemple de système de matériau homogène. Il consiste en une dissolution de nombreux ions, responsables de son goût salé caractéristique. Si un échantillon d'eau de mer était soumis à une évaporation dans un conteneur, il se déposerait dans ce sel blanc.